1. TCP通信时序
下图是一次TCP通讯的时序图。TCP连接建立断开。包含大家熟知的三次握手和四次握手。
在这个例子中，首先客户端主动发起连接、发送请求，然后服务器端响应请求，然后客户端主动关闭连接。两条竖线表示通讯的两端，从上到下表示时间的先后顺序，注意，数据从一端传到网络的另一端也需要时间，所以图中的箭头都是斜的。双方发送的段按时间顺序编号为1-10，各段中的主要信息在箭头上标出，例如段2的箭头上标着SYN, 8000(0), ACK1001, ，表示该段中的SYN位置1，32位序号是8000，该段不携带有效载荷（数据字节数为0），ACK位置1，32位确认序号是1001，带有一个mss（Maximum Segment Size，最大报文长度）选项值为1024。（传递数据的上限）
建立连接（三次握手）的过程：
1. 客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的段1。
客户端发出段1，SYN位表示连接请求。序号1000，这个序号在网络通讯中用作临时的地址，每发一个数据字节，这个序号要加1，序号指的是包号，后面的括号表示所携带数据的字节数。这样在接收端可以根据序号排出数据包的正确顺序，也可以发现丢包的情况，另外，规定SYN位和FIN位也要占一个序号，这次虽然没发数据，但是由于发了SYN位，因此下次再发送应该用序号1001。mss表示最大段尺寸，如果一个段太大，封装成帧后超过了链路层的最大帧长度，就必须在IP层分片，为了避免这种情况，客户端声明自己的最大段尺寸，建议服务器端发来的段不要超过这个长度。
2. 服务器端回应客户端，是三次握手中的第2个报文段，同时带ACK标志和SYN标志。它表示对刚才客户端SYN的回应；同时又发送SYN给客户端，询问客户端是否准备好进行数据通讯。
服务器发出段2，也带有SYN位，同时置ACK位表示确认，确认序号是1001，表示“我接收到序号1000及其以前所有的段，请你下次发送序号为1001的也就是段”，应答了客户端的连接请求，同时也给客户端发出一个连接请求，同时声明最大尺寸为1024。
段1序号为1000，其中SYN为1位，但实际上最小的发送单位应该位1字节，因为ACK确认序号为1001，而不是1000，SYN占了1字节。确认收到的包是不包含1001的。
3. 客户必须再次回应服务器端一个ACK报文，这是报文段3。
客户端发出段3，对服务器的连接请求进行应答，确认序号是8001。在这个过程中，客户端和服务器分别给对方发了连接请求，也应答了对方的连接请求，其中服务器的请求和应答在一个段中发出，因此一共有三个段用于建立连接，称为“三方握手（three-way-handshake）”。在建立连接的同时，双方协商了一些信息，例如双方发送序号的初始值、最大段尺寸等。
在TCP通讯中，如果一方收到另一方发来的段，读出其中的目的端口号，发现本机并没有任何进程使用这个端口，就会应答一个包含RST位的段给另一方。例如，服务器并没有任何进程使用8080端口，我们却用telnet客户端去连接它，服务器收到客户端发来的SYN段就会应答一个RST段，客户端的telnet程序收到RST段后报告错误Connection refused：
$ telnet 192.168.0.200 8080
Trying 192.168.0.200...
telnet: Unable to connect to remote host: Connection refused
数据传输的过程：
1. 客户端发出段4，包含从序号1001开始的20个字节数据。
2. 服务器发出段5，确认序号为1021，对序号为1001-1020的数据表示确认收到，同时请求发送序号1021开始的数据，服务器在应答的同时也向客户端发送从序号8001开始的10个字节数据，这称为piggyback。
3. 客户端发出段6，对服务器发来的序号为8001-8010的数据表示确认收到，请求发送序号8011开始的数据。
在数据传输过程中，ACK和确认序号是非常重要的，应用程序交给TCP协议发送的数据会暂存在TCP层的发送缓冲区中，发出数据包给对方之后，只有收到对方应答的ACK段才知道该数据包确实发到了对方，可以从发送缓冲区中释放掉了，如果因为网络故障丢失了数据包或者丢失了对方发回的ACK段，经过等待超时后TCP协议自动将发送缓冲区中的数据包重发。
关闭连接（四次握手）的过程：
由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。
1. 客户端发出段7，FIN位表示关闭连接的请求。客户端半关闭，关闭了客户端的写缓存区，此时客户端能接收数据(读缓冲区没关闭)但没法发送数据(写缓冲区关闭)。
2. 服务器发出段8，应答客户端的关闭连接请求。
3. 服务器发出段9，其中也包含FIN位，向客户端发送关闭连接请求。
4. 客户端发出段10，应答服务器的关闭连接请求。
建立连接的过程是三方握手，而关闭连接通常需要4个段，服务器的应答和关闭连接请求通常不合并在一个段中，因为有连接半关闭的情况，这种情况下客户端关闭连接之后就不能再发送数据给服务器了，但是服务器还可以发送数据给客户端，直到服务器也关闭连接为止。
2. 滑动窗口(TCP流量控制)
介绍UDP时我们描述了这样的问题：如果发送端发送的速度较快，接收端接收到数据后处理的速度较慢，而接收缓冲区的大小是固定的，就会丢失数据。TCP协议通过“滑动窗口（Sliding Window）”机制解决这一问题。看下图的通讯过程：
1. 发送端发起连接，声明最大段尺寸是1460，初始序号是0，窗口大小是4K(win，指的是发送端自己的缓冲区大小)，表示“我的接收缓冲区还有4K字节空闲，你发的数据不要超过4K”。接收端应答连接请求，声明最大段尺寸是1024，初始序号是8000，窗口大小是6K。发送端应答，三方握手结束。
2. 发送端发出段4-9，每个段带1K的数据，发送端根据窗口大小知道接收端的缓冲区满了，因此停止发送数据。
3. 接收端的应用程序提走2K数据，接收缓冲区又有了2K空闲，接收端发出段10，在应答已收到6K数据的同时声明窗口大小为2K(剩余的空间)。
4. 接收端的应用程序又提走2K数据，接收缓冲区有4K空闲，接收端发出段11，重新声明窗口大小为4K。
5. 发送端发出段12-13，每个段带2K数据，段13同时还包含FIN位。
6. 接收端应答接收到的2K数据（6145-8192），再加上FIN位占一个序号8193，因此应答序号是8194，连接处于半关闭状态，接收端同时声明窗口大小为2K。
7. 接收端的应用程序提走2K数据，接收端重新声明窗口大小为4K。
8. 接收端的应用程序提走剩下的2K数据，接收缓冲区全空，接收端重新声明窗口大小为6K。
9. 接收端的应用程序在提走全部数据后，决定关闭连接，发出段17包含FIN位，发送端应答，连接完全关闭。
上图在接收端用小方块表示1K数据，实心的小方块表示已接收到的数据，虚线框表示接收缓冲区，因此套在虚线框中的空心小方块表示窗口大小，从图中可以看出，随着应用程序提走数据，虚线框是向右滑动的，因此称为滑动窗口。
从这个例子还可以看出，发送端是一K一K地发送数据，而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K数据，或者一次只提走几个字节的数据。也就是说，应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），在底层通讯中这些数据可能被拆成很多数据包来发送，但是一个数据包有多少字节对应用程序是不可见的，因此TCP协议是面向流的协议。而UDP是面向消息的协议，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的。
3. TCP状态转换
netstat -apn | grep clinet：查看客户端的网络状态
netstata -apn | grep 端口号：查看指定端口的进程的网络状态
这个图N多人都知道，它排除和定位网络或系统故障时大有帮助，但是怎样牢牢地将这张图刻在脑中呢？那么你就一定要对这张图的每一个状态，及转换的过程有深刻的认识，不能只停留在一知半解之中。下面对这张图的11种状态详细解析一下，以便加强记忆！不过在这之前，先回顾一下TCP建立连接的三次握手过程，以及 关闭连接的四次握手过程。
CLOSED：表示初始状态。
LISTEN：该状态表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态，可以接受连接。
SYN_SENT：这个状态与SYN_RCVD遥相呼应，当客户端SOCKET执行CONNECT连接时，它首先发送SYN报文，随即进入到了SYN_SENT状态，并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。（中间态，一般不太容易见到这个状态）
SYN_RCVD: 该状态表示接收到SYN报文，在正常情况下，这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态，很短暂。此种状态时，当收到客户端的ACK报文后，会进入到ESTABLISHED状态。
ESTABLISHED：表示连接已经建立。
FIN_WAIT_1: FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。区别是：
- FIN_WAIT_1状态是当socket在ESTABLISHED状态时，想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该socket进入到FIN_WAIT_1状态。
- FIN_WAIT_2状态是当对方回应ACK后，该socket进入到FIN_WAIT_2状态，正常情况下，对方应马上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般较难见到，而FIN_WAIT_2状态可用netstat看到。
FIN_WAIT_2：主动关闭链接的一方，发出FIN收到ACK以后进入该状态。称之为半连接或半关闭状态。该状态下的socket只能接收数据，不能发。
TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，等2MSL后即可回到CLOSED可用状态。如果FIN_WAIT_1状态下，收到对方同时带 FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。
CLOSING: 这种状态较特殊，属于一种较罕见的状态。正常情况下，当你发送FIN报文后，按理来说是应该先收到（或同时收到）对方的 ACK报文，再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后，并没有收到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢？如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话，那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况，也即会出现CLOSING状态，表示双方都正在关闭SOCKET连接。
CLOSE_WAIT: 此种状态表示在等待关闭。当对方关闭一个SOCKET后发送FIN报文给自己，系统会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，察看是否还有数据发送给对方，如果没有可以 close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，即关闭连接。所以在CLOSE_WAIT状态下，需要关闭连接。
LAST_ACK: 该状态是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，即可以进入到CLOSED可用状态。
2.1 主动端(一般是客户端)
主动发起连接请求端：
CLOSE
--发送SYN-->
SYN_SENT
--接收SYN、ACK -->
SYN_SENT
--发送ACK-->
ESTABLISHED(数据通信态)
主动关闭连接请求端：
ESTABLSHED
--发送FIN-->
FIN_WAIT1
--接收AKC-->
FIN_WAIT2
--接收对端发送的FIN
FIN_WAIT2
--发送ACK-->
TIME_WAIT(只有主动关闭连接方，会经历该状态)
--等2MSL时长 --CLOSE
先关客户端(主动方)，再关服务器，TIME_WAIT是客户端的状态，需要等到2MSL时长CLOSE，2MSL未到，客户端还占用着端口号，TIME_WAIT是属于客户端的
2MSL未到，此时再启动服务器、客户端，然后先关服务器(主动方)，再关客户端
第二个TIME_WAIT是服务器的，此时要去重新启动服务器是不行的，显示：bind error:Address already in use，因为服务器的启动是需要绑定地址结构的，而此时服务器处于TIME_WAIT状态还占用着地址结合未CLOSE，所以会出错
主动关闭连接端可以是服务器先关闭，也能有TIME_WAIT状态，因此就会出现再次重新启动服务器可能会造成bind error。不要只局限认为主动关闭方一定是客户端这边的
2.3 接收端(一般是服务器)
被动接收连接请求端：
CLOSE
---->
LISTEN
--接收SYN-->
LISTEN
--发送SYN、ACK-->
SYN_RCVD
--接收ACK-->
ESTABLISHED(数据通信态)
被动关闭连接请求端：
ESTABLISHED(数据通信态)
--接收FIN-->
ESTABLISHED
--发送ACK-->
CLOSE_WAIT(对端处于半关闭FIN_WAIT2状态)
--发送FIN-->
LAST_WAIT
--接收ACK-->
CLOSE
2.4 重点记忆
ESTABLISHED、FIN_WAIT2 -- CLOSE_WATI、TIME_WAIT(2MSL)
3. 半关闭(FIN_WAIT2)
当TCP链接中A发送FIN请求关闭，B端回应ACK后（A端进入FIN_WAIT_2状态），B没有立即发送FIN给A时，A方处在半链接状态，此时A可以接收B发送的数据，但是A已不能再向B发送数据。
从程序的角度，可以使用API来控制实现半连接状态。
#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how); //shutdown关闭的是指向同一个的多个文件描述符，close只能关闭其中一个文件描述符，做--操作
sockfd: 需要关闭的socket的描述符
how: 允许为shutdown操作选择以下几种方式:
SHUT_RD(0)：关闭sockfd上的读功能，此选项将不允许sockfd进行读操作。
该套接字不再接收数据，任何当前在套接字接受缓冲区的数据将被无声的丢弃掉。
SHUT_WR(1):关闭sockfd的写功能，此选项将不允许sockfd进行写操作。进程不能在对此套接字发出写操作。
SHUT_RDWR(2):关闭sockfd的读写功能。相当于调用shutdown两次：首先是以SHUT_RD,然后以SHUT_WR。使用close中止一个连接，但它只是减少描述符的引用计数，并不直接关闭连接，只有当描述符的引用计数为0时才关闭连接。
shutdown不考虑描述符的引用计数，直接关闭描述符。也可选择中止一个方向的连接，只中止读或只中止写。
注意:
1. 如果有多个进程共享一个套接字，close每被调用一次，计数减1，直到计数为0时，也就是所用进程都调用了close，套接字将被释放。
2. 在多进程中如果一个进程调用了shutdown(sfd, SHUT_RDWR)后，其它的进程将无法进行通信。但，如果一个进程close(sfd)将不会影响到其它进程。
4. 2MSL
2MSL (Maximum Segment Lifetime) TIME_WAIT状态的存在有两个理由：
（1）让4次握手关闭流程更加可靠；4次握手的最后一个ACK是是由主动关闭方发送出去的，若这个ACK丢失，被动关闭方会再次发一个FIN过来。若主动关闭方能够保持一个2MSL的TIME_WAIT状态，则有更大的机会让丢失的ACK被再次发送出去。保证最后一个ACK能成功被对端接收（等待期间，对端没收到主动端发的ACK，对端会再次发送FIN请求，超过2MSL后对端还是没收到ACK就结束）
（2）防止lost duplicate对后续新建正常链接的传输造成破坏。lost uplicate在实际的网络中非常常见，经常是由于路由器产生故障，路径无法收敛，导致一个packet在路由器A，B，C之间做类似死循环的跳转。IP头部有个TTL，限制了一个包在网络中的最大跳数，因此这个包有两种命运，要么最后TTL变为0，在网络中消失；要么TTL在变为0之前路由器路径收敛，它凭借剩余的TTL跳数终于到达目的地。但非常可惜的是TCP通过超时重传机制在早些时候发送了一个跟它一模一样的包，并先于它达到了目的地，因此它的命运也就注定被TCP协议栈抛弃。
另外一个概念叫做incarnation connection，指跟上次的socket pair一摸一样的新连接，叫做incarnation of previous connection。lost uplicate加上incarnation connection，则会对我们的传输造成致命的错误。
TCP是流式的，所有包到达的顺序是不一致的，依靠序列号由TCP协议栈做顺序的拼接；假设一个incarnation connection这时收到的seq=1000, 来了一个lost duplicate为seq=1000，len=1000, 则TCP认为这个lost duplicate合法，并存放入了receive buffer，导致传输出现错误。通过一个2MSL TIME_WAIT状态，确保所有的lost duplicate都会消失掉，避免对新连接造成错误。
该状态为什么设计在主动关闭这一方：
（1）发最后ACK的是主动关闭一方。
（2）只要有一方保持TIME_WAIT状态，就能起到避免incarnation connection在2MSL内的重新建立，不需要两方都有。
如何正确对待2MSL TIME_WAIT?
RFC要求s ocket pair在处于TIME_WAIT时，不能再起一个incarnation connection。但绝大部分TCP实现，强加了更为严格的限制。在2MSL等待期间，socket中使用的本地端口在默认情况下不能再被使用。
若A 10.234.5.5 : 1234和B 10.55.55.60 : 6666建立了连接，A主动关闭，那么在A端只要port为1234，无论对方的port和ip是什么，都不允许再起服务。这甚至比RFC限制更为严格，RFC仅仅是要求socket pair不一致，而实现当中只要这个port处于TIME_WAIT，就不允许起连接。这个限制对主动打开方来说是无所谓的，因为一般用的是临时端口；但对于被动打开方，一般是server，就悲剧了，因为server一般是熟知端口。比如http，一般端口是80，不可能允许这个服务在2MSL内不能起来。
解决方案是给服务器的socket设置SO_REUSEADDR选项，这样的话就算熟知端口处于TIME_WAIT状态，在这个端口上依旧可以将服务启动。当然，虽然有了SO_REUSEADDR选项，但sockt pair这个限制依旧存在。比如上面的例子，A通过SO_REUSEADDR选项依旧在1234端口上起了监听，但这时我们若是从B通过6666端口去连它，TCP协议会告诉我们连接失败，原因为Address already in use.
RFC 793中规定MSL为2分钟，实际应用中常用的是30秒，1分钟和2分钟等。
RFC (Request For Comments)，是一系列以编号排定的文件。收集了有关因特网相关资讯，以及UNIX和因特网社群的软件文件。
4.1 程序设计中的问题
做一个测试，首先启动server，然后启动client，用Ctrl-C终止server，马上再运行server，运行结果：
itcast$ ./server
bind error: Address already in use 这是因为，虽然server的应用程序终止了，但TCP协议层的连接并没有完全断开，因此不能再次监听同样的server端口。我们用netstat命令查看一下：
itcast$ netstat -apn |grep 6666
tcp 1 0 192.168.1.11:38103 192.168.1.11:6666 CLOSE_WAIT 3525/client
tcp 0 0 192.168.1.11:6666 192.168.1.11:38103 FIN_WAIT2 - server终止时，socket描述符会自动关闭并发FIN段给client，client收到FIN后处于CLOSE_WAIT状态，但是client并没有终止，也没有关闭socket描述符，因此不会发FIN给server，因此server的TCP连接处于FIN_WAIT2状态。
现在用Ctrl-C把client也终止掉，再观察现象：
itcast$ netstat -apn |grep 6666
tcp 0 0 192.168.1.11:6666 192.168.1.11:38104 TIME_WAIT -
itcast$ ./server
bind error: Address already in useclient终止时自动关闭socket描述符，server的TCP连接收到client发的FIN段后处于TIME_WAIT状态。TCP协议规定，主动关闭连接的一方要处于TIME_WAIT状态，等待两个MSL（maximum segment lifetime）的时间后才能回到CLOSED状态，因为我们先Ctrl-C终止了server，所以server是主动关闭连接的一方，在TIME_WAIT期间仍然不能再次监听同样的server端口。
MSL在RFC 1122中规定为两分钟，但是各操作系统的实现不同，在Linux上一般经过半分钟后就可以再次启动server了。至于为什么要规定TIME_WAIT的时间，可参考UNP 2.7节。
4.2 端口复用
在server的TCP连接没有完全断开之前不允许重新监听是不合理的。因为，TCP连接没有完全断开指的是connfd（127.0.0.1:6666）没有完全断开，而我们重新监听的是lis-tenfd（0.0.0.0:6666），虽然是占用同一个端口，但IP地址不同，connfd对应的是与某个客户端通讯的一个具体的IP地址，而listenfd对应的是wildcard address。解决这个问题的方法是使用setsockopt()设置socket描述符的选项SO_REUSEADDR为1，表示允许创建端口号相同但IP地址不同的多个socket描述符。
在server代码的socket()和bind()调用之间插入如下代码：
使用：
int opt = 1; //设置端口复用
setsockopt(listenfd,
SOL_SOCKET,
SO_REUSEADDR,
(void*)&opt, // 根据参三的数据类型来决定是否需要强转
sizeof(opt));
注：需要在bind绑定地址结构之前将端口复用的属性设置进去才行
函数原型：
int setsockopt(int sockfd,
int level,
int optname,
const void *optval,
socklen_t optlen);
参数：
level为SOL_SOCKET：
参三：SO_REUSEADDR //允许重用本地地--int
SO_REUSEPORT //允许重用本地端口--int
返回值：
若成功则返回0，若出错则返回-1
